直線電機抽油泵系統試驗研究

姜民政，李 楊，王 慧，邢宗濤，常瑞清

直線電機抽油泵系統試驗研究

姜民政1，李 楊1，王 慧2，邢宗濤3，常瑞清4

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.天津渤油船舶工程有限公司，天津300457；3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411；4.大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）①

直線電機能夠產生直線往復運動，將其與抽油泵相結合形成一種新型無桿采油設備，徹底取消抽油桿及地面傳動機構，從而大幅降低系統能耗，提高系統效率。通過試驗研究得到直線電機抽油泵特性及其變化規律，具有理論及工程實際意義。

直線電機；抽油泵；試驗研究

使用直線電機直接驅動抽油泵，可省去中間傳動機構，降低能耗。從提出設想至今，雖然驅動采油設備的方案不同，但是仍然有很多問題沒有解決［1－5］。當前，大多數研究人員對直線電機驅動采油方案的設計與改進僅依賴于現場試驗，缺少必要的理論支撐。本文建立直線電機抽油泵系統室內試驗臺，通過試驗研究，可以發現直線電機抽油泵系統實際運行時存在的問題，得出其性能影響因素和變化規律。研究成果將為設計結構合理的直線電機抽油泵系統、實現其合理的運行控制提供理論依據，為節能型采油方案的確定提供依據。

1 結構及工作原理

1.1 基本結構

直線電機抽油泵系統是將圓筒型永磁直線同步電機外殼與泵筒連接成一體置于套管內，應用直線電機的次級帶動柱塞做往復運動，完成原油的抽汲。圓筒型永磁直線同步電機的動子兩端采用螺紋各連接1個短柱塞，實現直線電機的動子帶動短柱塞做直線往復運動，取消了抽油桿及地面傳動機構。試驗中使用的直線電機抽油泵系統結構如圖1所示，主要由上固定閥總成、位移測量裝置、上柱塞總成、密封裝置、圓筒型永磁直線同步電機、下柱塞總成、下固定閥總成等組成。

1.2 工作原理

當圓筒型永磁直線同步電機的次級向上運動時，直線電機抽油泵做上沖程運動。此時，下短柱塞下面的下泵腔容積增大，壓力減小，下游動閥在其上下壓差的作用下關閉，而下固定閥在其上下壓差的作用下打開，原油進入下泵腔，而此時上短柱塞上面的上泵腔容積減小，壓力增大，上游動閥在其上下壓差的作用下關閉，上固定閥在其上下壓差的作用下打開，上泵腔原油舉升進入油管，然后排出；同理當圓筒型永磁直線同步電機的次級向下運動時，直線電機抽油泵做下沖程運動。此時，柱塞壓縮下泵腔中的原油，下短柱塞下面的下泵腔容積減小，壓力增大，而上短柱塞上面的上泵腔容積增大，壓力減小，因此上、下2個游動閥均在其上下壓差的作用下打開，下泵腔原油進入上泵腔。直線電機次級一上一下，帶動泵的短柱塞往復運動，抽油泵就完成了1次抽汲循環。重復進行循環從而完成原油舉升。

圖1 試驗用直線電機抽油泵系統結構

2 室內試驗裝置的建立

直線電機抽油泵系統室內試驗裝置主要包括直線電機抽油泵系統、運行控制和數據采集系統、配電柜、計量罐、油箱等，如圖2。通過運行控制可以實現直線電機抽油泵系統運行啟停控制、系統運行參數的改變、系統運行監控；通過數據采集系統可以采集直線電機抽油泵系統運行時的電參數和柱塞的位移量。

運行控制主要是指通過軟件實現控制，在遵守各電子設備通訊協議的基礎上，編制組態程序和PLC程序實現計算機、PLC、A／D模塊、變頻器之間的通訊。最終將各種操作及相關信息都集中顯示在組態軟件編制的可視化程序主界面上。應用組態王6.54建立的程序共有4個程序界面：程序主界面、實時數據顯示曲線界面、歷史數據曲線界面、歷史數據查詢界面。通過界面的操作，可以實現直線電機抽油泵系統的運行啟停控制及運行參數的設置；可以將系統的運行電參數及柱塞的位移值實時顯示在組態程序界面上，實現系統的運行監控；可查詢系統運行的歷史數據。通過PLC梯形圖程序可以實現PLC、模塊、變頻器之間的通訊，是組態程序與直線電機抽油泵系統運行控制之間的橋梁。程序共分為3部分：PLC與A／D模塊通訊部分程序段；PLC與變頻器通訊部分程序段；PLC對直線電機抽油泵系統運行控制部分程序段。有了PLC程序就可以實現組態程序對直線電機抽油泵系統的運行控制，也可以實現直線電機抽油泵系統運行參數在組態程序界面上的實時顯示。

圖2 試驗臺系統組成原理

數據采集包括直線電機的電參數、位移及抽油泵流量的采集。數據采集的方法很多，為了適應試驗的要求，本試驗采用HIOKI 4169-20型電參數測試儀、數據采集板、計量罐進行所需數據的采集。

使用變頻器的U／f控制實現系統變參數運行。通過組態軟件編制的可視化程序主界面進行電源頻率、電壓、運行頻率等的設置，然后輸入至變頻器，再由變頻器控制直線電機抽油泵系統的運行。

使用柴油機油作為試驗的循環介質，當系統運行時，柴油機油在直線電機抽油泵的抽汲作用下經過其中空部分后，進入計量罐，再由計量罐流入油箱。配電柜向系統輸入三相交流電。通過運行控制及數據采集系統將運行控制信號輸入到直線電機抽油泵系統，實現系統運行控制。將經過數字模擬轉換的傳感器信號、電機運行的電參數值輸送給運行控制及數據采集系統，實現系統運行監控及數據采集。

3 試驗數據采集及分析

測量不同頻率下直線電機抽油泵的運行情況，得出頻率對直線電機抽油泵性能的影響及其變化規律。測試條件：設定輸入電壓為200V，沖次為20 min－1，頻率分別為3、4、5Hz。使用HIOKI 4169－20電參數測試儀測量直線電機的電參數，結果如圖3～6所示。

圖3 有功功率曲線

圖4 無功功率曲線

圖5 電壓曲線

圖6 電流曲線

由圖3～6可以看出：當使用U／f控制方式控制直線電機抽油泵系統運行時，保持直線電機的輸入電壓不變，改變直線電機的運行頻率不會影響直線電機抽油泵的電參數特性；其中，每一條曲線的上升段是直線電機抽油泵的啟動過程，曲線的下降段是直線電機抽油泵的制動過程，曲線的平緩變化段是直線電機抽油泵的穩定運行過程；每條曲線存在的波動是由直線電機抽油泵存在振動而引起的。

在直線電機抽油泵同參數運行的條件下，使用研華數據采集卡采集直線電機抽油泵柱塞的位移參數，曲線如圖7所示。應用OriginLab科學繪圖和數據分析軟件處理位移數據，通過傅立葉濾波處理后得到直線電機抽油泵1個沖程內的位移、速度及加速度曲線，如圖8～10所示。

圖7 試驗采集原始位移數據曲線

圖8 傅立葉濾波后位移曲線

圖9 速度曲線

圖10 加速度曲線

由圖8～10可以看出：直線電機抽油泵在1個沖程內，柱塞的速度和加速度不僅大小發生變化，而且方向也變化；上沖程的前半沖程為加速運動，加速度為正，加速度值越來越小，一直減小到零；上沖程的后半沖程為減速運動，加速度為負，加速度絕對值越來越大；下沖程與上沖程的運動規律相同，運動方向相反。直線電機抽油泵在1個沖程內的上、下死點處加速度值最大。

當使用U／f控制方式控制直線電機抽油泵運行時，保持直線電機抽油泵的輸入電壓不變，只改變直線電機抽油泵的運行頻率，直線電機抽油泵1個沖程內的位移、速度和加速度值隨著頻率的增加而增加。

根據試驗測試數據計算1個周期內的相關參數值，如表1所示。

由表1可以看出：在直線電機抽油泵的輸入電壓不變的情況下，改變輸入頻率值，在直線電機抽油泵的1個運行沖程內，流量系數、有效功率、泵效均隨著頻率的增加而增加；流量系數值從3Hz時的0.875增加到5Hz時的0.877，有效功率值從3Hz時的0.606kW增加到5Hz時的0.897kW，5Hz時泵效比3Hz時提高了10.87%；最大推力值隨著頻率的增加有很小的變化，可以忽略，因此最大推力值不隨頻率的變化而變化。

表1 相關參數計算

4 結論

1） 直線電機抽油泵運行過程中發熱現象嚴重，影響了直線電機抽油泵的正常運行。如果將其投入現場使用，首先要解決直線電機的發熱與散熱問題。

2） 直線電機抽油泵徹底取消了抽油桿及地面傳動系統，從而解決了桿管偏磨這一難題，也降低了系統的損耗。

3） 文章中提出的直線電機抽油泵系統結構，使用U／f控制方式控制直線電機抽油泵運行時，電參數不隨著頻率的改變而改變；直線電機抽油泵的位移、速度和加速度值隨著頻率的增加而增加；直線電機抽油泵的流量系數、有效功率、泵效均隨著頻率的增加而增加。

［1］ 梁會珍，段寶玉，陳庭舉，等.直線電機作為井下泵動力系統的設想［J］.石油鉆采工藝，2004，26（3）：75-77.

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［3］ 魏秦文，張留昌，郭詠梅，等.新型直線電機采油泵及其關鍵技術［J］.石油礦場機械，2007，36（5）：5-9.

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［8］ 楊鐵寧，張金中.直線電機驅動往復泵流量壓力變化規律試驗研究［J］.石油礦場機械，2009，38（4）：56-61.

Experimental Study of Linear Motor Pumping Unit

JIANG Min-zheng1，LI Yang1，WANG Hui2，XING Zong-tao3，CHANG Rui-qing4
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Bohai Oil Marine Engineering ＆Supply Co.，Ltd.，Tianjin300457，China；3.No.1 Drilling Company，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing163411，China；4.Oil Production Engineering Research Institute，Daqing Oilficld Co.，Ltd.，Daqing163453，China）

Based on reciprocating motion of the linear motor，adapt it was combined with progressive cavity pumping unit to eliminate pumping rod and the ground transmission mechanism.Thusthe energy consumption of the system was greatly reduced；the efficiency of the system was improved.Through the experimental study，the linear motor pumping characteristics and their variation regularities were obtained，with theoretical and practical significance.

linear motor；pumping；experimental study

TE933.3

A

1001-3482（2012）05-0060-04